Атом на ладони
Нобелевскую премию по физике 2025 года присудили Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису из США. Каждый лауреат получит треть премиальной суммы «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».
Взлет со дна
Объясним, что такое туннелирование. Представьте себе котлован глубиной 50 метров. Вы стоите на дне и пытаетесь выбросить на поверхность кирпич. Здравый смысл говорит, что у вас не хватит на это сил.
Такой же ответ дает и классическая, то есть неквантовая, физика. Физики так и говорят: кирпич находится в потенциальной яме. Глубину этой ямы они измеряют не в метрах, а в джоулях — единицах энергии. Чтобы выбросить кирпич, ему нужно сообщить энергию, равную как минимум глубине потенциальной ямы.
Теперь возьмем вместо кирпича электрон. Влияние гравитации на него ничтожно из‑за малой массы, но потенциальную яму можно создать, например, с помощью электрического притяжения. Будет ли электрон на дне потенциальной ямы вести себя как кирпич? Как ни удивительно, нет. Поведением элементарных частиц управляют квантовые законы. Они гласят, что даже при недостаточной энергии у электрона есть шансы покинуть яму. Дело в том, что в квантовой механике положение частицы не предопределено. Есть лишь вероятность обнаружить ее в той или иной точке пространства. Правда, и в квантовом мире ресурсы имеют значение. Вероятность выбраться из ямы очень быстро убывает с увеличением глубины ямы и уменьшением переданной электрону энергии. Но эта вероятность никогда не равна нулю. Эта странная особенность квантовых законов называется туннельным эффектом, а «побег» из потенциальной ямы — туннелированием.
Если туннельный эффект работает для электронов и атомных ядер, почему он не работает для кирпича, состоящего из этих самых электронов и атомных ядер? Вот самое простое объяснение. В кирпиче больше частиц, чем стаканов воды в Мировом океане. Вероятность того, что все эти частицы одновременно туннелируют из ямы глубиной 50 метров, отличается от нуля лишь формально. В реальности такого никогда не произойдет.